第十一章 蛋白质的生物合成及加工修饰
第十一章 蛋白质的生物合成及加工修饰
(The Biosynthesis and transport of protein)
在不同的蛋白质分子中，氨基酸有着特定的排列顺序，这种特定的排列顺序不是随机的，而是严格按照蛋白质的编码基因中的碱基排列顺序决定的。基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到mRNA，再由mRNA将这种遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做翻译。翻译的过程也就是蛋白质分子生物合成的过程，在此过程中需要200多种生物大分子参加，其中包括核糖体、mRNA、tRNA及多种蛋白质因子。
第一节 参与蛋白质生物合成的物质
一、合成原料
自然界由mRNA编码的氨基酸共有20种，只有这些氨基酸能够作为蛋白质生物合成的直接原料。某些蛋白质分子还含有羟脯氨酸、羟赖氨酸、γ-羧基谷氨酸等，这些特殊氨基酸是在肽链合成后的加工修饰过程中形成的。
下图给出部分特殊氨基酸分子式：
二、mRNA是合成蛋白质的直接模板
蛋白质是在胞质中合成的，而编码蛋白质的信息载体DNA 却在细胞核内，所以必定有一种中间物质用来传递DNA 上的信息，实验证明：mRNA 是遗传信息的传递者，是蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，因此得名信使RNA。
原核细胞中每种mRNA分子常带有多个功能相关蛋白质的编码信息，以一种多顺反子的形式排列，在翻译过程中可同时合成几种蛋白质；而真核细胞中，每种mRNA一般只带有一种蛋白质编码信息，是单顺反子的形式。mRNA以它分子中的核苷酸排列顺序携带从DNA传递来的遗传信息，作为蛋白质生物合成的直接模板，决定蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。不同的蛋白质有各自不同的mRNA，mRNA除含有编码区外，两端还有非编码区。非编码区对于mRNA的模板活性是必需的，特别是5'端非编码区在蛋白质合成中被认为是与核糖体结合的部位。
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mRNA特点：短命 原核：半衰期几秒-几分钟 真核：半衰期数小时。 功能是蛋白质合成的模板，多肽链氨基酸排列顺序就取决于mRNA 的核苷酸的排列顺序。
蛋白质由20 种氨基酸构成的，mRNA 却只有4 种碱基，如果由一种碱基编码氨基酸，那么4 种碱基只能决定4 种氨基酸；如果2 个碱基编码一种氨基酸 也只能编码42 种氨基酸；若由3 个碱基作为一组，可以有43=64 种排列，那么就满足了编码20 种氨基酸的需要，实验证明：确实是3 个碱基编码一种氨基酸。
三联体密码：3个连续的碱基编码一种氨基酸，即每3个核苷酸组成的1个密码子，称为三联体密码子，简称密码子。
1、遗传密码的破译
破译遗传密码的突破性工作主要包括三个方面：一是体外翻译系统的建立；二是核酸的人工合成；三是核糖体结合技术。
1966 完全确定了编码20 种氨基酸的遗传密码，编排出了遗传密码字典： ⑴阐明蛋白质生物合成的基础。
⑵为分子遗传学的中心法则的确立提供了有力证据。是生命科学史上的又一重大突破。
mRNA分子上以5'→3'方向，从AUG开始每三个连续的核苷酸组成一个密码子，mRNA中的四种碱基可以组成64种密码子。这些密码不仅代表了20种氨基酸，还决定了翻译过程的起始与终止位置。每种氨基酸至少有一种密码子，最多的有6种密码子。
在1966年编排出了遗传密码字典。见下表：
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遗传密码字典 第一位（5ˊ）第二位UCAG第三位（3ˊ） U C A
UCAGUCAGUCAGUCAGG
位于mRNA起动部位AUG为氨基酸合成肽链的起动信号。以哺乳动物为代表的真核生物，此密码子代表蛋氨酸；以微生物为代表的原核生物则代表甲酰蛋氨酸。
密码子UAA、UAG、UGA是肽链成的终止密码，不代表任何氨基酸，它们单独或共同存在于mRNA3'末端。人们赋予这三个密码子特殊的名字：UAA（赭石密码子）、UAG（蛋白石密码子）、UGA（琥珀密码子）。
2.遗传密码具有以下特点： ⑴按5'→3'方向编码（方向性：阅读方向5'→3'，与mRNA 合成方向一致）、不重叠、无标点、连续的
从起始码AUG开始，三个碱基代有一个氨基酸，这就构成了一个连续不断的读框，直至终止码。如果在读框中间插入或缺失一个碱基就会造成移码突变，引起突变位点下游氨基排列的错误。
⑵密码子的简并性（摆动性、变偶性）
一种氨基酸可有两个或更多个密码子的现象为简并性。密码子的前两个碱基决定其专一性，第三位碱基可有变异，如A 、G 、C 、U。（即密码子和反密码子的第一、第二两个碱基的配对是标准配对，而第三个碱基则可以随意配对。）
这种简并性主要是由于密码子的第三个碱基发生摆动现象形成的，也就是说密码子的专一性主要由前两个碱基决定，即使第三个碱基发生突变也能翻译出正确的氨基酸。
同一种氨基酸共用不同密码子称为同义密码子。只有色氨酸(Trp)和甲硫
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氨酸(Met)仅有一个密码子。
生物意义：可以减少有害的突变，简并增加了密码子中碱基改变仍然编码原来氨基酸的可能性。
⑶.起始码与终止码（Initiation codon and termination codon）
密码子AUG是起始密码，代表合成肽链的第一个氨基酸的位置，它们位于mRNA5′末端，同时也是蛋氨酸的密码子，因此原核生物和真核生物多肽链合成的第一个氨基酸都是蛋氨酸（原核：甲酰蛋氨酸）。
当然少数细菌中也用GUG做为起始码。在真核生物CUG偶尔也用作起始蛋氨酸的密码。
密码子UAA，UAG，UGA是肽链成的终止密码子或无意义密码子，不代表任何氨基酸，它们单独或共同存在于mRNA3'末端。因此翻译是沿着mRNA分子5′→3′方向进行的。
⑷密码的通用性
大量的事实证明生命世界从低等到高等，都使用一套密码，也就是说遗传密码在很长的进化时期中保持不变。因此这张密码表是生物界通用的。
然而，真核生物线粒体的密码子有许多不同于通用密码，例如（P514）： 人线粒体中，UGA不是终止码，而是色氨酸的密码子；AGA，AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，加上通用密码中的UAA和UAG，线粒体中共有4个终止码子；内部甲硫氨酸密码子有两个，即AUG和AUA；而起始甲硫氨酸密码子有四组，即AUN。
例外：线粒体AUA、AUU→起始信号，而非Ile ；UGA→Trp ，而非终止子。 密码子结构与氨基酸侧链极性之间也有一定关系： ①氨基酸侧链极性性质在多数情况下由密码子的第二个碱基决定。第二个碱基为嘧啶（Y）时，氨 基酸侧链为非极性，第二个碱基为嘌呤时，氨基酸侧链则有极性。 ②当第一个碱基为U或A，第二个碱基为C，第三个碱基无特异性时，所决定的氨基酸侧链为极 性，不带电。 ③当第一个碱基不是U，第二个碱基是P时，氨基酸侧链则带电。在此前提下，若是一个是C或 A时，表示带正电的氨基酸，第一、二个碱基分别是G、A时，此种氨基酸带负电，但上述关系 也有个别例外。 许多实验证实，在原核生物和高等真核生物中同一组密码子的使用频率是不相同的。高频密码子多出现在那些表达量高的蛋白质基因中，例如，核糖体蛋白质基因、RecA蛋白质基因等。这种使用频率与细胞内一组tRNA含量不同有关。
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三、tRNA是活化氨基酸的运载工具
tRNA在蛋白质生物合成过程中起关键作用。mRNA推带的遗传信息被翻译成蛋白质一级结构，但是mRNA分子与氨基酸分子之间并无直接的对应关系。这就需要经过第三者“介绍”，而tRNA分子就充当这个角色。
tRNA 分子的二级结构呈三叶草型，三级结构呈倒L 型。
tRNA是类小分子RNA，长度为73-94个核苷酸，tRNA分子中富含稀有碱基和修饰碱基，tRNA分子3'端均为CCA序列，氨基酸分子通过共价键与氨基酸结合，此处的结构也叫氨基酸臂。每种氨基酸都有2-6种各自特异的tRNA，它们之间的特异性是靠氨酰tRNA合成酶来识别的。这样，携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNA称为同功tRNA，它们在细胞内合成量上有多和少的差别，分别称为主要tRNA和次要tRNA。
主要tRNA中反密码子识别tRNA中的高频密码子，而次要tRNA中反密码子识别mRNA中的低频密码子。每种氨基酸都只有一种氨酰tRNA合成酶。因此细胞内有20种氨酰tRNA合成酶。
tRNA分子中还有一个反密码环，此环上的三个反密码子的作用是与mRNA分子中的密码子靠碱基配对而形成氢键，达到相互识别的目的。但在密码子与反密码子结合时具有一定摆动性，即密码子的第3位碱基与反密码子的第1位碱基配对时并不严格，见右图。
配对摆动性完全是由tRNA反密码子的空间结构所决定的。反密码的第1位碱基常出现次黄嘌呤I（见下图），与A、C、U之间皆可形成氢键而结合，这是最常见的摆动现象。这种摆动现象使得一个tRNA所携带的氨基酸可排列在2-3个不同的密码子上，因此当密码子的第3位碱基发生一定程度的突变时，并不影响tRNA带入正确的氨基酸。
在蛋白质生物合成过程中，特异识别mRNA上起始密码子的tRNA被称为起始tRNA，它们参加多肽链合成的起始，其它在多肽链延伸中运载氨基酸的tRNA，统称为延伸tRNA。
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